高通量连续流微反应器的流动与传热数值模拟

随着连续化、自动化和智能化生产观念的深入，连续流反应技术在精细化工和药物化工领域快速 发展[1-2]。作为一种典型的连续流反应器，微反应器凭借自身高效的传热和传质性能在有机合成反应 中得到广泛应用[3-4]。然而，微尺度在带来优越的传递性能的同时也限制了流动通量，微反应器的大 规模工业应用仍有许多挑战[5-6]。 微反应器的放大策略主要有三种[7]：一是平行数目放大，该方法的优点是可以保持传递性能不变， 难点在于如何实现成千上万台设备的流量均布；二是串联数目放大，该方法无须流量分配器，可以应 用于较长反应停留时间的反应以及多步反应，但是能够实现的通量有限，鲜有超过 100 mL/min 处理 量的报道；三是几何尺寸放大，该方法可以实现通量的数量级增长，降低通道堵塞风险，难点在于保 留微尺度的传递性能。康宁公司基于几何尺寸放大的策略设计了一种先进流反应器（Advanced Flow  Reactor，AFR）[8-10]，该反应器的特征几何尺寸为宽 1 mm、高 1.1 mm，流动通量达到 10～200 mL/min， 气-液相界面积为 160～1 300 m-1[11]，液-液相界面积为 1 000～10 000 m-1[12]，仅需七个 AFR 组合就可 实现每分钟公斤级的原料处理量，展现出了一定的工业应用潜力。Fang 等[13]自行设计了一种可以连 续合成季铵盐的反应器，该反应器由内径为 9 mm、总长为 200 m 的钛材蛇形圆管构成，管内容积为 15.7 L，在管内插入组合式静态混合器以增强传热和传质效果，结果表明该反应器可以在几分钟内实 现相当于间歇反应器 10 h 的生产能力，年生产能力超过 1 000 t。 本研究基于扩大通道尺寸并内置三维螺旋构件的思路设计了一种高通量连续流反应器 （High-throughput Continuous-flow Reactor，HTCR），该反应器在保持较优的混合与传热性能的前提 下，通量比常见微反应器增加 1～3 个数量级，为微反应器的几何放大提供了一条新的思路。本工作 首先介绍 HTCR 的几何构型，再采用计算流体力学（CFD）的方法对反应器基本单元的对流传热过程进行模拟，分析其流动与传热规律，随后采用单因素分析的方法考察雷诺数、普朗特数、螺旋片长径 比和扭转角对传热的影响，最后通过数值拟合得到努塞尔数与流动摩擦系数的计算关联式。